Degradasi Simulasi Limbah Organik Cair Menggunakan Suspen.fi Fotokatalis ri°l (Sahat M. Panggahean)

DEGRADASI SIMULASI LIMBAH ORGANIK CAIRMENGUNAKAN SUSPENSI FOTOKATALIS TiO2

Sabat M Panggabean' daD Deny SusenozI Kedeputian Bidang Perkembangan Riptek .Kementerian Riset dan Teknologi

2 Pusat Pengembangan Pengelolaan Limbah Radioaktif. BATAN

ABSTRAK

DEGRADASI SIMULASI LIMBAH ORGANIK CAIR MENGUNAKAN SUSPENSI FOTOKATALIS TiO3.Telah dilakukan penelitian degradasi senyawaan organik menggunakan suspensi fotokatalis TiO3' Penelitian dilakukan denganmendegradasi asam sitrat sebagai limbah simulasi padll pH 3 sampai dengan 7, Konsentrasi suspensi totokatalis TiO2 yangdigunakan sebesar 0,1% sampai dengan 0,15%, Sumbcr eksitasi adalah sinar ultraviolet yang berasal dari lampu black light,Hasil degradasi limbah simulasi secara kualitatif dan kuantitatif diamati menggunakan High Perfonnance Liquid Chromatography(HPLC), Sebagai koreksi terhadap reaksi degradasi tersebut diamati et"ek sorpsi limbah simulasi pada permukaan fotokatalisdan efek reaksi fotolisis. Hasil penelitian menunjukan limbah simulasi terdegradasi maksimal sebesar 85,68% pada pH 3menggunakan suspensi fotokatalis TiO3 0,1%, Perhitungan laju degradasi pada kondisi ter~but adalah 7,22~ menitl,

Kala kunci : Fotokatalis TiO., HPLC

ABSTRACT

DEGRADATION OF LIQUm ORGANIC WASTE BY USING OF SUSPENTION OF TIOl PHOTOCATALIST.The research of degradation of liquid organic waste by using of supention of TiOl photocatalist has been done. This researchwas carried out in order to degradation of citric acid as a simulation waste and pH parameter were 3 until 7. The consentrationof TiOz suspention that used in this research were o. 1 ~o until 0.15%. The ultraviolet light excitation source was balck lightlamp. The qualitative and quantitative result of degradation process was analyzed by using of High Performance LiquidChromatography (HPLC). The sorption effect of simullation waste as a correction tor the degradation reaction was observed.This research yielded the maximum degradation of simullation waste was 85.68% at pH operation 3 and the photocatalistsuspention was 0.1%. The degradation rate at that condition was 7.22 ~ minute"l.

Key words: TiO, photocataJist, HPLC

PENDAHULUAN

senyawa-senyawa organik berantai pendek yang toksik.Disisi lain pengolahan limbah secara fotolisismemerlukan sumber lampu ultraviolet berpanjanggelombang pendek daD mempunyai daya lampu yangbesar.

Salah satu cara pengolahan limbah organik yangresistan terhadap degradasi adalah penggunaanfotokatalisis TiO2. Pengolahan ini berbasis pada reaksifotokatalisis dimana TiO2 merupakan semikonduktorintrinsik yang hila menyerap cahaya yang berenergisarna atau lebih besar daTi energi celah pitanya, makaelektron (e-) pada pita valensi akan tereksitasi ke pitakonduksi dan meninggalkan lubang positif (h+) padapita valensi. Lubang positif selanjutnya berfungsisebagai pengoksidator kuat yang mempunyaikemampuan mendegradasi limbah organik sehinggadihasilkan CO2 dan H.° sebagai produk akhir. Terdapattiga jenis struktur kl~:;tal TiO2 diantaranya adalahanatase dan rutil. Struktur kristal anatase merupakan

Sektor-sektorpemukinan, komersial dan industribahkan pertahanan dihadapkan pada masalahlingkungan yang berhubungan dengan remediasilimbab-limbah berbahaya, kontaminasi air tanah daDpengendalian udara buangan beracun. Limbah-limbahtersebut meliputi hidrokarbon terhalogenasi, sisa-sisa

tumpahan minyak berat, logam berat, pelarut-pelarutoraganik dan sebagainya. Untuk limbah-limbah organikberkatagori resistan terhadap degradasi jika tidak diolahdaD terlepas ke lingkungan keberadaannya tetap adadalam kurun waktu yang sangat panjang daD tersebarmelalui beberapa jalur distribusi.

Saat ini pengolahan limbah organik tersebutsebatas hanya pemekatan yang diikuti oleh imobilisasidan terakhir pada tahapan disposal. Beberapa teknikjuga dicoba antara lain secara insenerasi dan fotolisis.Teknik insenerasi dilakukan dengan membakar limbahorganik tersebut dalam tungku yang bersuhu tinggi.Walaupun efektif tetapi kemungkinan terbentuk

157

Prosiding Pertemuan llmiah llmu Pengetahuan dun Teknologi Bahan 2002Serpong, 22 -23 Oktober 2002 ISSN 1411-2213

BASIL DAN PEMBABASAN

Pengaruh pH pada reaksi degradasi

Reaksi degradasi asam sitrat (limbah organiksimulasi) secara fotokatalisis sangat dipengaruhi faktoreksternal daD internal. Faktor eksternal terkait denganbesar daya daD panjang gelombang sinar ultravioletyang digunakan. Faktor internal dipengaruhi olehkondisi fisika daD kimia larutan. Kondisi fisika kimialarutan yang mempengaruhi antara lain: pH larutan,konsentrasi suspensi daD sebagainya. Pengaruh pHlarutan terhadap degradasi senyawaan as am sitratdapat dilihat pada Gambar 1.

fotokalisis yang lebih aktif dibandingkan denganstruktur ruti! sehingga banyak digunakan untukkeperluan degradasi senyawaan organik yang terlarutdidalarnair [1,2,3].

Pada konteks pengolahan limbah organik,dikenal 2 jenis aplikasi fotokatalis TiO2' yaitu dalambentuk tersuspensi dan terimobilisasi. Penggunaanfotokatalis dalam bentuk tersuspensi dipandanglebih efektif, karena mudah diperoleh daD mempunyaikemurnian anatase diatas 90%. Pada penelitianini dilakukan uji degradasi senyawaan organikmenggunakan fotokatalis TiO2 berbentuk suspensipada berbagai kondisi fisika dan kimia. Hasildegradasi diamati secara kualitatif daD kuantitatifmenggunakan instrumentasi High PerformanceLiquid Chromatography. Hasil penelitiaan diharapkandapat menjelaskan keunggulan teknik fotokalisini dalam mengolah limbah organik cairo

BAHAN DAN TATA KERJA

Bahan

Gambar 1. Pengaruh pH terhadap degradasi asarn sitrat

Asam sitrat (sebagai limbah simulasi), TiO2anatase powder, metanol hipersol (untukpengelusi kolom HPLC), H2SO4' NaOH danakuades.Bahan gelas dan lampu black light

Alat yang digunakan

HPLC (fase gerak metanoI30%, kolom C-18), magneticstirrer dan sebagainya.

TATA KERJA

Limbah simulasi dibuat dengan melarutkanasam sitrat sehingga konsentrasinya 100mg/L clanlarutan tersebut diatur pada pH 3. Persiapan ujidegradasi dilakukan dengan mencampur 300mLlimbah simulasi dengan padatan TiO2 sehinggadiperoleh konsentrasi fotokatalis sebesar 0,1%,Larutan limbah simuiasi yang bercampur denganfotokalis selanjutnya disinari dengan dua buah lampuultraviolet jenis black light berkekuatan 5 Watt.Sebelum clan selama proses degradasi dilakukanpencuplikan larutan tersebut untuk dianalisiskandungan asam sitrat sehingga diketahui persentasedegradasinya. Analisis kandungan asam sitratdilakukan menggunakan HPLC (fase gerak metanol,kolom C18) dengan membandingkan luas area padawaktu retensi asam sitrat. Percobaan serupa dilakukanpada pH larutan 5 clan 7 serta pada variasi konsentrasisuspensi TiO2 (0,75; 0,1; 0,125 clan 0,15%). Sebagaikoreksi terhadap efek degradasi dilakukan percobaanyang sarna tanpa keberadaan fotokatalis (untukmengetahui kontribusi efek fotolisis sinar ultraviolet)clan tanpa keberadaan sinar ultraviolet (untukmengetahui efek sorpsi pada permukaan fotokatalis).

Berdasarkan Gambar I, menunjukan bahwafaktor internal (pH larutan) sangat mempengaruhikecepatan degradasi asam sitrat tersebut. Pacta intervalwaktu 30 menit konsentrasi asam sitrat yang semula100 ppm turnn menjadi 54,91 ppm, 62, 17ppm dan 62, 17ppm berturnt -turnt pacta pH larntan 3, 5 dan 7. Mengacupacta basil tersebut maka degradasi asam sitrat yangdigunakan sebagai limbah organik simulasi optimal pactapH 3. Hal ini sangat beralasan karena reaksi degradasisenyawaan organik secara fotokatalisis sangatdipengarnhi oleh kecepatan pembentukan radikal .OHyang mempunyai kemampuan sebagai oksidator.Radikal .OH teIbentuk berdasarkan reaksi antara lubang(hole)bermuatan positifpada TiO2 dengan gugus OH-yang berasal daTi larntan. Kecepatan pembentukanradikal .OH dipengaruhi oleh migrasi ion OH- kepermukaan TiO2. Disisi lain kecepatan migrasi tersebutsangat dipengaruhi oleh nilai pH larutan. Pacta pHrendah daya hantar listrik larutan sebagai media transferelektron cukup tinggi sehingga ion OH- dapat cepatbermigrasi ke permukaan fotokatalis.

Untuk membuktikan pengaruh pH terhadapdegradasi asam sitrat melalui reaksi fotokatalisis,makadilakukan perhitungan nilai konstanta laju degradasi.Konstanta laju reaksi (k) degradasi asam sitrat mengacupacta hukum laju reaksi orde 1'cl yang ditunjukkan pacta

persamaan (1)[5].

[Ao] -[At]

.(1

k=

158

Degradasi Simulasi Limbah Organik Cair Menggunakan SU.fpen.fi Fotokatali.f TiOl (Sahat M Panggabean)

Mengacu pacta persarnaan (I) rnaka slope antara durasidan penumnan konsentrasi asarn sitrat rnempakan nilaikonstanta laju degradasi. Disisi lain penurunankonsentrasi asarn sitrat diperoleh berdasarkankonsentrasi (dikonversi dalarn satuan Molar) pacta0 rnenit dikurangi dengan konsentrasi pacta durasitertentu(IO, 20, 30dan60 rnenit). PengamhpHterhadapnilai konstanta laju degradasi dapat dilihat pactaGarnbar 2.

Berdasarkan Gambar 3, menunjukan hanyaterdapat dua buah senyawaan organik dengan rantaikarbon yang lebih pendek dibandingkan dengansenyawaan asal. Fraksi tersebut diduga senyawaanantara yang akan terurai menjadi karbondioksida daDair.

Pengaruh konsentrasi suspensi fotokatalis TiO2

Reaksi fotokatalisis sangat dipengaruhi pula olehkuantitas TiO2 yang digunakan. Hal ini sangat beralasankarena semakin banyak kuantitas TiO2 berdampak padapenambahan luas kontak antara permukaan fotokatalisdengan senyawaan organik. Pengaruh kuantitas TiO2

yang digunakan pada degradasi senyawaan organikselama 60 menit dapat dilihat pada Gambar 4.i

?..¥

5

pH Larutan

73

Gambar 2. Pengaruh pH terhadap konstanta lajudegradasi asarn sitrat

~ 100~~ 95

90

-i 85

~~~ 8i1:.

75

70

0.05 0.075 0.1 0.125 0.15

Konsentrasl TIO2 ("to WN)

Gambar 4. Pengaruh konsentrasi TiO, terhadap degrada..,iasam sitrat selama 60 menit pada pH 3

Berdasarkan Gambar 3, maka peningkatan pHlarutan akan menurunkan konstanta laju degradasisenyawaan organik berdasarkan reaksi fotokatalisis.Konstanta laju reaksi adalah sebesar 7,22; 5,69 dan6,3~menitberturut-turutpadapH larutan3, 5 dan 7.Pengaruh pH didasarkan pada fenomena interaksi donordan aseptor elektron dengan TiO2 yang ditentukan olehsifat instrinsik permukaan fotokatalis tersebut.Fotokatalis TiO2 mempunyai sifat asam diprotik yangsecara fungsional adalah titanol >TiO2[6j .Sifatkeasaman inilah yang menentukan laju reaksi degradasisenyawaan organik tersebut.

Untuk mengetahui fraksi hasil degradasisenyawaan organik dapat diamati daTi kromatogramyang tersaji pada Gambar 3.

..-

Berdasarkan Gambar 4, maka pengaruhkonsentrasi suspensi TiO2 yang digunakan sangatberpengaruh terhadap penurunan konsentrasi asamsitrat. Perbedaan penumnan konsentrasi asam sitratsecara nyata adalah pada konsentrasi TiO2 sebesar 0, Isampai dengan 0,15%. Pada konsentrasi TiO2 0,05sampai dengan 0,075% luas kontak permukaanfotokatalis dengan asam sitrat lebih kecil dibandingkankonsentrasi fotokatali::. tersebut 0,1 sampai dengan0,15% Disisi lain peningkatan kuantitas fotokatalistersebut akan menyebabkan sebagian asam sitrat yangterabsorpsi dan sulit terdesorpsi kembali. Hal ini akanmemberikan basil analisis seolah-olah terjadi penumnankonsentrasi asam sitrat.

Untuk membuktikan pengamh absorpsi terhadappeningkatan konsentrasi fotokatalis TiO2, makadilakukan pengamatan terhadap kuantitas asam sitratyang terabsorpsi di dalam fotokatalis TiO2 Kuantitasasam sitrat yang terabsorpsi pada fotokatalis TiO2 untukproses selama 60 menit dapat dilihat pada Gambar 6.

Berdasarkan Gambar 5 menunjukkanpcrlingkatan konsentrasi suspensi TiO2 mengakibatkanpeningkatanjumlah asam sitrat yang terabsorpsi. Padapenggunaan konsentrasi suspensi TiO2 sebesar 1 %menyebabkan absorpsi sebesar 8% daTi konsentrasisemula. Peningkatan konsentrasi suspensi tersebutmenyebabkan asam si;:.at yang terabsorpsi bertambahbesar sehingga sulit untuk dilepaskan kembali. Mengacu

B

Keterangan : A (sebelum reaksi totokatalisis),B (setelab reaksi 30 menit),C (setelah 60 menit)

Gambar 3. Kromatogram basil degradasi asam sitratsecara reaksi totokatalisis

159

7.57

6.5

6

5.5

Prosiding Pertemuan llmiah llmu Pengetahuan dun Teknologi Bahan 2002Serpong, 22 -23 Oktober 2002 ISSN 1411-2213

pacta kenyataan tersebut, maka penggunaan suspensiTiO2 yang optimal adalah I%. Absopsi asam sitratpacta fotokatalis TiO2 dibuktikan berdasarkankromatogram HPLC pacta cuplikan asam sitrat sebelumdaD setelah mengalami proses absorpsi daD tersaji pactaGambar6.

0 10 20 30 60

Durasi (menit)

Gambar 7. Konsentrasi asam sitrat setelah mengalamidegradasi melalui reaksi fotolisis dan totokatalisismenggunakan daya lampu 5 watt

-~('/o)

Gambar 5. Pengaruh konsentrasi suspensi TiO, terhadapabsorpsi asam sitrat

A

B.-

Keterangan : A (sebelum "reaksi fotolisis),B (setelab reaksi foi.olisis)

Gambar 8. Kromatogram asam sitrat sebelum dansetelab

mengalami reaksi fotolisisB--"!!~ ,.--"'~ --:.==:==

Gambar 8 menunjukkan asam sitrat mengalamidegradasi berdasarkan reaksi fotolisis. Proses fotolisistidak menunjukkan pembentukan senyawa antaraberantai karbon lebih pendek.

Keterangan : A (sebelum proses absorpsi),B (setelab reaksi 60 menit)

Gambar 6. Kromatogram asam sitrat sebelum dan setelahdiabsorpsi oleh fotokatalis TiOz

KESIMPULANMengacu pada Gambar 6, maka dapat dibuktikanproses absorpsi terjadi pada perrnukaan fotokatalis TiO2Hal ini ditunjukan dengan penurunan luas area puncak(peak) asam sitrat daD tidak acta perubahan pola

kromatogram.

Proses degradasi asam sitrat (limbah organiksimulasi) melalui reaksi fotokatalisis optimal pada pHlamtan 3. Laju reaksi degradasi asam sitrat pada pH 3sebesar 7,22'fjM/menit menggunakan lampu ultravioletdengan daya 5 watt. Kuantitas TiO2 optimal yangditambahkan 0, 1 % dengan pertimbangan kemampuandegradasi clan absopsi pada permukaan fotokatalisTiO2. Kontribusi reaksi fotoli:3is pada degradasi asamsitrat hanya 14,32 ppm pada proses selama 60 menit.

Pengaruh faktor eksternal reaksi fotokatalisis

Degradasiasam sitrat (limbah organik simulasi)melalui reaksi fotokatalisis juga dipengamhi oleh faktoreksternal yaitu intensitas lampu ultraviolet. Tanpakehadiran fotokatalis, sinar ultraviolet juga memilikikemampuan mendegradasi senyawaan organik melaluiproses fotolisis. Berpijak pada fenomena ini, maka hamsdibuktikan degradasi berjalan melalui reaksi fotokatalisisatau fotolisis. Bukti tersebut dapat dilihat pada Gambar7 daD 8 yang menunjukkan kemampuan reaksi fotolisismendegradasi asam sitrat.

Berdasarkan Gambar 7, maka terbukti degradasias am sitrat melalui reaksi fotolisis hanya sedikitberkontribusi dibandingkan dengan reaksi fotokatalisis.Pada reaksi fotolisis selama 60 menit, basil analisismenunjukkan konsentrasi asam sitrat dalam lamtansebesar 91,39 ppm. Disisi lainkonsentrasi asam sitrattersebut setelah menga~ami reaksi fotokatalisis selama60 menit adalah sebesar 14,32ppm.

DAFTARPUSTAKA

[1]. GERISCHER, H, Condition for an effecient

photocatalitic of TiD] particel, PhotocatalyticPurification and Treatment of Water and Airedited by Ollis, DF, Elsevier Publisher, London

(1993)[2]. HOFMAN, R.M. Environmental Application of

Semiconduktor of Photocatalysis, Chern.Rev,

(1995),69-96.[3]. KAMAT, P.V, TiD] Mediated Photocataly.yis

U.~ing Visible Light: PhotosensitizationApproach, Photocatalytic Purification andTreatment of Water and Water, edited by OllisD .F, Elsevier Science Publisher BY; USA, (1993).

160

Degradasi Simulasi Limhah Organik Cair Menggunakan Suspensi Fotokatalis TiOz (Sahat M Panggabean)

[4J.

[5],

[6].

[7].

KESSELMAN, J.M, Fundamerntalphoelectrochemistry ofTiO] and SrTiO] appliedto environmental, Photocatalytic Purification andTreatment of Water and Air edited by Ollis, DF,Elsevier Publisher, London (1993)

LINSEBLINGER, AL, Photocatalysis on TiO2Surface: Principles, Mechanism and SelectedResult, Chem.Rev, (1995), 735-758MATTHEWS W.R, Photocatalysi.~ inWaterPuriflcation : Posibilities, Problem andProspect, Photocatalytic Purification andTreatment of Water and Water, edited by OllisD .F, Elsevier Science Publisher BY; USA, (1993),121-137MURALIDHARA, H., et al; Solid/LiquidSeparation: Waste Management andProductivity Enhancement, (1989) int symp,Battelle press, (1989).

161